基于弹性铰链的自展开太阳能聚光器研制.pdf

摘要

太阳能是一种清洁、环保、取之不尽、用之不竭的绿色能源。然而，由于

大气层削弱、昼夜交替、天气和气候等因素的影响，地面上的太阳能流密度比

较低，导致地面太阳能利用效率较低。为此，地球同步轨道上的空间太阳能电

站成为备受关注的解决方案，其中大型聚光阵列是其核心组件之一，一般由多

个形状相同、均匀布置的可展开聚光器单元组成。本文面向空间太阳能电站对

组成聚光阵列的可展开聚光器单元的应用需求，提出了一种基于弹性铰链的轻

量化、高精度的自展开聚光器单元新构型。

首先，本文提出了一种聚光器聚焦光斑均匀化的光学设计新方法。采用微

分法进行聚光器反射面微元与聚焦区域微元一一对应的数学建模，以聚光器接

收表面焦斑区域能流均匀化为目标对聚光器反射表面型面进行形状优化设计。

利用蒙特卡洛光线追踪法（MCRT），分别在平行光照射条件和自然阳光照射条

件进行了计算模拟。提出了焦斑光学性能评价指标，并利用模拟结果进行了计

算，分析评价接收器上光斑形状以及能流密度分布情况。

然后，提出了一种基于弹性铰链的自展开聚光器新构型。该构型由支撑龙

骨、弹性铰链机构、弹簧闩锁机构和支撑基座组成；结合了MEA等固面展开

机构与伞式展开机构的特点，设计了支撑龙骨绕单轴展开的机构；利用聚焦光

斑均匀化光学设计方法所得到的聚光器旋转曲面母线对龙骨形状进行设计；针

对弹性铰链，利用弹性力学中的应变能建模方法，研究了弹性铰链不同的结构

参量对应变能的影响规律，最终通过优化设计得出了弹性铰链的具体结构参数；

利用弹性铰链机构进行折叠与展开，实现了聚光器单元的无源驱动自展开；聚

光器单元整体结构具有周向对称性，具备了无源自展开、大收纳比、结构简单、

刚度和稳定性高等优点。

最后，研制了口径Φ1m的原理样机并开展了试验研究，对聚光器的刚度、

收展性能以及展开后反光面型面精度进行了评估，验证了基于弹性铰链的自展

开聚光器的收展性能和动力学特性。并开展了自然光照条件下的聚光试验，验

证聚光器单元的光学性能。

关键词：聚光器；自展开；能流密度；弹性铰链；蒙特卡洛光线追踪法

Abstract

Solarenergyisaclean,environmentallyfriendly,renewableandinexhaustible

greenenergysource.However,duetofactorssuchasatmosphericattenuation,

day-nightalternation,weatherandclimates,thesolarenergyfluxdensityonthe

groundisrelativelylow,resultinginlowefficiencyofgroundsolarenergy

utilization.Therefore,SpaceSolarPowerSatellites(SSPS)ontheGeosynchronous

Orbithavebecomeahighlyregardedconcept,andlargeconcentratorarraysareone

ofitscorecomponents,typicallycomposedofmultipleidenticallyshaped,

uniformlyarrangeddeployableconcentratorunits.Thispaperproposesanew

configurationofself-deployingconcentratorunitsbasedonelastichingesthatis

lightweightandhigh-precision,targetingtheapplicationrequirementsofdeployable

concentr